2023年高考物理（热点+题型全突破）专题6.7实验探究动能定理（含解析）

专题6.7实验探究动能定理数据处理与分析【数据处理】(1)测出每次做功后小车获得的速度。(2)分别用各次实验测得的v和W绘制W－v或W－v2、W－v3、……图象，直到明确得出W和v的关系。(3)结论：物体速度v与外力做功W间的关系W＝eq\f(1,2)mv2。【误差分析】1．误差来源：一是由于忘记平衡摩擦力或没有完全平衡摩擦力对实验的影响，二是橡皮筋长度、粗细不一，使得拉力及拉力的功与条数不成正比带来误差，三是纸带上所打点的间距测量也会带来误差。四是描点不准带来误差。2．减小误差的方法(1)实验前要先平衡摩擦力。(2)尽量选用同一规格的橡皮筋。(3)选用间距均匀的几个间隔，测量其总长度，求得平均速度。(4)描点时既要观察各点的位置关系，又要考虑应有的函数关系，假设拉力大，小车速度大，点数少，可能使W与v呈线性关系，控制小车速度，加大纵坐标单位长度，可减小误差。【考前须知】1．平衡摩擦力的方法：将木板一端垫高，轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到木板的一个适宜的倾角。2．测小车速度时，纸带上的点应选均匀局部的，也就是选小车做匀速运动的。3．橡皮筋应选规格一样的，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值。4．每次释放小车时，都要让它从同一位置由静止开始运动。5．小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些。题型一考查实验原理与实验操作【例如1】[2023·天津卷·9(2)]某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如下图。(1)假设要完成该实验，必需的实验器材还有哪些________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行。他这样做的目的是以下的哪个________(填字母代号)。A．防止小车在运动过程中发生抖动B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力(3)平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到适宜的点计算小车速度。在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经屡次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是以下哪些原因造成的________(填字母代号)。A．在接通电源的同时释放了小车B．小车释放时离打点计时器太近C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力【答案】(1)刻度尺天平(包括砝码)(2)D(3)可在小车上加适量砝码(或钩码)(4)CD【典例2】某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化关系〞的实验，如图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W，当用2条、3条……，完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时，使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和________。(2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力，那么下面操作正确的选项是________。A．放开小车，能够自由下滑即可B．放开小车，能够匀速下滑即可C．放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D．放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可(3)假设木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，以下说法正确的选项是________。A．橡皮筋处于原长状态B．橡皮筋仍处于伸长状态C．小车在两个铁钉的连线处D．小车已过两个铁钉的连线(4)在正确操作情况下，打在纸带上的点，并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的________局部进行测量(根据上面所示的纸带答复，填入相应段的字母)。【答案】(1)交流电源(或学生电源)(2)D(3)B(4)GK(选取匀速局部均为正确)题型二考查数据处理【例如3】为了探究功与速度变化的关系，现提供如图甲所示的器材，让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，请思考探究思路并答复以下问题。(打点计时器所接交流电频率为50Hz)甲(1)为了消除摩擦力的影响应采取的措施为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3条……并起来进行第1次、第2次、第3次……实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，我们把第1次实验时橡皮筋对小车做的功记为W。(3)由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可以由打点计时器和纸带测出，如图乙所示是其中四次实验打出的局部纸带。乙(4)试根据第(2)、(3)项中的信息，填写下表。次数1234橡皮筋对小车做的功W小车速度v(m/s)v2(m2/s)从表中数据可得出结论：________________________________________________________________________。【答案】见解析次数1234橡皮筋对小车做的功W2W3W4W小车速度v(m/s)1.001.421.732.00v2(m2/s)1.002.022.994.00在误差允许的范围内，橡皮筋对小车做的功与小车速度的平方成正比。题型三实验创新及迁移应用〔1〕实验器材的改良，使用拉力传感器和速度传感器如下图，将拉力传感器固定在小车上，平衡小车的摩擦力，拉力传感器可以记录小车受到的拉力大小，在水平桌面上相距一定距离x的A、B两点各安装一个速度传感器，分别记录小车通过A、B时的速度大小，改变钩码的数量，分别得到对应拉力的功W和Δv2(即veq\o\al(2,A)－veq\o\al(2,B))，也可验证得到W∝Δv2的结论。〔2〕实验方案的改良利用自由落体运动探究功和动能的关系。〔3〕数据处理的改良【1】在数据处理时，可用小车的动能增量ΔEk作为纵轴，小车拉力的功W作横轴作出ΔEk－W图象。【2】因小车合力一定时，合力的功W与小车位移L成正比，因此，可以做出L－v2图象或L－Ek图象。实验原理的迁移【例如4】[2023·广东卷·34(2)]某同学根据机械能守恒定律，设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。(1)如图(a)，将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托盘中依次增加砝码，测量相应的弹簧长度，局部数据如下表，由数据算得劲度系数k＝________N/m。(g取9.80m/s2)砝码质量/g50100150弹簧长度/cm8.627.636.66(2)取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图(b)所示，调整导轨使滑块自由滑动时，通过两个光电门的速度大小________。(3)用滑块压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x；释放滑块，记录滑块脱离弹簧后的速度v。释放滑块过程中，弹簧的弹性势能转化为________。(4)重复(3)中的操作，得到v与x的关系如图(c)，由图可知，v与x成________关系。由上述实验可得结论：对同一根弹簧，弹性势能与弹簧的________成正比。【答案】(1)50(2)相等(3)滑块的动能(4)正比压缩量的二次方【解析】(1)加50g砝码时，弹簧弹力F1＝mg＝k(l0－l1)，加100g砝码时F2＝2mg＝k(l0－l2)，ΔF＝F2－F1＝k(l1－l2)，那么k＝49.5N/m，同理由加100g砝码和加150g砝码的情况可求得k′＝50.5N/m，那么劲度系数eq\x\to(k)＝eq\f(k＋k′,2)＝50N/m。(2)使滑块通过两个光电门时的速度大小相等，就可以认为滑块离开弹簧后做匀速直线运动。(3)弹性势能转化为滑块的动能。(4)图线是过原点的直线，所以v与x成正比，整个过程弹性势能转化为动能，即E弹＝Ek＝eq\f(1,2)mv2，弹性势能与速度的二次方成正比，那么弹性势能与压缩量x的二次方成正比。【例如5】如图是一位同学做“探究动能定理〞的实验装置图。(1)让一重物